Termodinamica aula 1

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Capítulo -1 
 
 
CONCEITOS 
 
 FUNDAMENTAIS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo – 1 - Termodinâmica Aplicada - pág - 2 
 
 
1 - CONCEITOS FUNDAMENTAIS 
 
1.1 - Sistema Termodinâmico 
 
 Sistema termodinâmico consiste em uma quantidade de matéria ou região 
para a qual nossa atenção está voltada. Demarcamos um sistema termodinâmico 
em função daquilo que desejamos calcular. Tudo que se situa fora do sistema 
termodinâmico é chamado MEIO ou VIZINHANÇA. 
 
 O sistema termodinâmico a ser estudado é demarcado através de uma 
FRONTEIRA ou SUPERFÍCIE DE CONTROLE a qual pode ser móvel, fixa, real ou 
imaginária. 
 
 Sistema Fechado - É o sistema termodinâmico no qual não há fluxo de 
massa através das fronteiras que definem o sistema. 
 
 Volume de Controle - Ao contrário do sistema fechado, é o sistema 
termodinâmico no qual ocorre fluxo de massa através da superfície de controle que 
define o sistema. 
 
 Assim, dependendo da interação entre o sistema termodinâmico definido 
para estudo, e a vizinhança, chamaremos a essa região de Sistema Fechado 
(demarcado pela fronteira) ou Volume de Controle (demarcado pela superfície de 
controle) conforme se verifique as definições acima citadas. Exemplos de Sistema 
Fechado e Volume de Controle 
 
A figura 1.1-1 é um sistema termodinâmico fechado, pois não há fluxo de 
massa através das fronteiras do sistema, embora haja fluxo de calor. 
A figura 1.1-2, por sua vez, constitui um volume de controle pois temos fluxo 
de massa atravessando a superfície de controle do sistema. 
 
 
 
Fig. 1.1-1 - Sistema fechado Fig. 1 .1-2 - Volume de controle 
 
 
Sistema Isolado - Dizemos que um sistema termodinâmico é isolado quando não 
existe qualquer interação entre o sistema termodinâmico e a sua vizinhança. (ou 
seja, através das fronteiras não ocorre fluxo de calor, massa, trabalho etc. ) 
 
 
 
Capítulo – 1 - Termodinâmica Aplicada - pág - 3 
 
 
1.2 - Estado e Propriedades de uma Substância 
 
 Se considerarmos uma massa de água, reconhecemos que ela pode existir 
sob várias formas. Se é inicialmente líquida pode-se tornar vapor após aquecida ou 
sólida quando resfriada. Assim nos referimos às diferentes fases de uma 
substância: uma fase é definida como uma quantidade de matéria totalmente 
homogênea; quando mais de uma fase está presente, as fases se acham separadas 
entre si por meio dos contornos das fases. Em cada fase a substância pode existir 
a várias pressões e temperaturas ou, usando a terminologia da termodinâmica, em 
vários estados. O estado pode ser identificado ou descrito por certas propriedades 
macroscópicas observáveis; algumas das mais familiares são: temperatura, 
pressão, volume, etc. Cada uma das propriedades de uma substância num dado 
estado tem somente um valor definido e essa propriedade tem sempre o mesmo 
valor para um dado estado, independente da forma pela qual a substância chegou a 
ele. De fato, uma propriedade pode ser definida como uma quantidade que 
depende do estado do sistema e é independente do caminho (isto é, da história) 
pelo qual o sistema chegou ao estado considerado. Inversamente, o estado é 
especificado ou descrito pelas propriedades. 
 
 
Propriedades Termodinâmicas - As propriedades termodinâmicas podem 
ser divididas em duas classes gerais, as intensivas e as extensivas. 
 
 
 Propriedade Extensiva - Chamamos de propriedade extensiva àquela que 
depende do tamanho (extensão) do sistema ou volume de controle. Assim, se 
subdividirmos um sistema em várias partes (reais ou imaginárias) e se o valor de 
uma dada propriedade for igual à soma das propriedades das partes, esta é uma 
variável extensiva. Por exemplo: Volume, Massa, etc. 
 
 
 Propriedade Intensiva - Ao contrário da propriedade extensiva, a 
propriedade intensiva, independe do tamanho do sistema. Exemplo: Temperatura, 
Pressão etc. 
 
 
 Propriedade Específica - Uma propriedade específica de uma dada 
substância é obtida dividindo-se uma propriedade extensiva pela massa da 
respectiva substância contida no sistema. Uma propriedade específica é também 
uma propriedade intensiva do sistema. Exemplo de propriedade específica: 
 Volume específico , nn , nn == V
M
 
 Energia Interna específica , u, u
U
M
== 
 
onde: M é a massa do sistema, V o respectivo volume e U é a energia interna total 
do sistema. 
 
 
 
Capítulo – 1 - Termodinâmica Aplicada - pág - 4 
 
 
 
1.3 - Mudança de Estado de um Sistema Termodinâmico 
 
 
 Quando qualquer propriedade do sistema é alterada, por exemplo; Pressão, 
Temperatura, Massa, Volume, etc. dizemos que houve uma mudança de estado no 
sistema termodinâmico. 
 
 
 Processo - O caminho definido pela sucessão de estados através dos quais 
o sistema passa é chamado processo. 
 
 Exemplos de processos: 
 
 - Processo Isobárico (pressão constante) 
 - Processo Isotérmico (temperatura constante) 
 - Processo Isocórico (isométrico) (volume constante) 
 - Processo Isoentálpico (entalpia constante) 
 - Processo Isoentrópico (entropia constante) 
 - Processo Adiabático (sem transferência de calor) 
 
 
 Ciclo Termodinâmico - Quando um sistema (substância), em um dado 
estado inicial, passa por certo número de mudança de estados ou processos e 
finalmente retorna ao estado inicial, o sistema executa um ciclo termodinâmico. 
 Deve ser feita uma distinção entre ciclo termodinâmico, descrito acima, e um 
ciclo mecânico. Um motor de combustão interna de quatro tempos executa um ciclo 
mecânico a cada duas rotações. Entretanto o fluido de trabalho não percorreu um 
ciclo termodinâmico dentro do motor, uma vez que o ar e o combustível são 
queimados e transformados nos produtos de combustão, que são descarregados 
para a atmosfera. 
 
 
 
 
1.4 - Lei Zero da Termodinâmica 
 
 
 Quando dois corpos tem a mesma temperatura dizemos que estão em 
equilíbrio térmico entre si. Podemos definir a lei zero da termodinâmica como: 
 
 " Se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro eles estão 
em equilibrio térmico entre si ". 
 
A lei zero da termodinâmica define os medidores de temperatura, os 
TERMÔMETROS. 
 
 
 
 
Capítulo – 1 - Termodinâmica Aplicada - pág - 5 
 
 
 
1.5 - Escalas de Temperatura 
 
 
 Para a maior parte das pessoas a temperatura é um conceito intuitivo 
baseado nas sensações de "quente" e "frio" proveniente do tato. De acordo com a 
segunda lei da termodinâmica, a temperatura está relacionada com o calor ficando 
estabelecido que este, na ausência de outros efeitos, flui do corpo de temperatura 
mais alta para o de temperatura mais baixa espontaneamente. 
 O funcionamento dos termômetros está baseada na lei zero da 
termodinâmica pois são colocados em contato com um corpo ou fluido do qual se 
deseja conhecer a temperatura até que este entre em equilíbrio térmico com o 
respectivo corpo. A escala do aparelho foi construída comparando-a com um 
termômetro padrão ou com pontos físicos fixos de determinadas substâncias. 
 Quatro escalas de temperatura são hoje usadas para se referir à temperatura, 
duas escalas absolutas e duas escalas relativas; são elas respectivamente: Escala 
KELVIN (K) e RANKINE (°R) e escala Celsius (°C) e Fahrenheit (°F). A Fig. 1.5-1 
mostra as quatro escalas de temperatura e a relação entre elas. 
 
 
 
 Figura 1.5-1 - As escalas de temperatura e sua inter-relação 
 
 
 Tipos de Termômetros 
 
 - Termômetro de Mercúrio em vidro (expansão volumétrica) 
 - Termômetro de Alcool em vidro (expansão volumétrica) 
 - Termômetro de Par Bimetálico (dilatação linear diferenciada) 
 - Termômetro de Termistores (variação da resistividade) 
 - Termômetro de Gás Perfeito (expansão volumétrica)- Termômetro de Termopar (força eletromotriz) 
 - Pirômetro Ótico (cor da chama) 
 - etc. 
 
Capítulo – 1 - Termodinâmica Aplicada - pág - 6 
 
 
 
 Exemplo 1.5-1 
 
Escreva a relação entre graus Celsius (oC) e Fahrenheit (oF) 
 
 Solução - Considere-se a escala dos dois Termômetros, Celsius 
 e Fahrenheit como mostrado na figura 
 
Interpolando linearmente as escalas entre a referência de gelo 
fundente e a referência de vaporização da água temos: 
 
 
 
O OC F--
--
==
--
--
0
100 0
32
212 32
 ® 
O OC F== --
5
9
32( ) 
 
 
 
 
 
 
 
1.6 - Pressão 
 
 Pressão, uma propriedade termodinâmica, é definida como sendo a relação 
entre uma força e a área normal onde está sendo aplicada a força. A Fig. 1.6-1 
ilustra a definição dada pela equação 1.6 -1 
 
 
 P
A A
F
Ai
N==
¾¾ ®®¾¾
lim
dd dd
dd
dd
 (1.6 -1) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Figura 1.6-1 - Definição de Pressão 
 
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Unidades de Pressão 
 
 Pascal, Pa = 
N
m2 , 
 Quilograma - força por metro quadrado, = 
kgf
m2 
 
 Psig = 
lbf
in2
, (manométrica) Psia = 
lbf
in2 (absoluta) 
 
 bar = 105 Pascal 
 
 As pressões abaixo da pressão atmosférica e ligeiramente acima e as 
diferenças de pressão (como por exemplo, ao longo de um tubo, medidas através 
de um orifício calibrado) são obtidas freqüentemente com um manômetro em U que 
contém como fluido manométrico: água, mercúrio, Alcool, etc. como mostra a Fig. 
1.6-2 
 
 
Figura 1.6-2 manômetro em U usado junto com um orifício calibrado 
 
 
 Pelos princípios da hidrostática podemos concluir que, para uma diferença de 
nível, L em metros, em um manômetro em U, a diferença de pressão em Pascal é 
dada pela relação : 
 DDP gL== rr 
 
onde g é a aceleração da gravidade, em m/s2, rr é a densidade do fluido 
manométrico, em kg/m3 e L é a altura da coluna de líquido, em m (metros) . 
 
 OBS. 
 
 A pressão atmosférica padrão é definida como a pressão produzida por uma 
coluna de mercúrio exatamente igual a 760 mm sendo a densidade do mercúrio de 
13,5951 gm / cm3 sob a aceleração da gravidade padrão de 9,80665 m / s2 
 
 uma atmosfera padrão = 760 mmHg =101325 Pascal = 14,6959 lbf / in2 
 
 
Capítulo – 1 - Termodinâmica Aplicada - pág - 8 
 
 
Exemplo 1.6-1 
 
 Em uma análise para se obter o balanço térmico de um motor diesel é necessário 
medir-se a vazão de ar admitido pelo motor. Um orifício calibrado é montado em uma caixa 
de entrada junto com um manômetro em U na admissão do motor, como mostrado, 
esquematicamente na figura. A vazão mássica do fluido escoando, m
··
, em kg/m3 está 
relacionada, em um orifício calibrado, pela seguinte expressão, m A C PD
··
== 2rr DD , onde DDP 
é a diferença de pressão no manômetro em U , 
em Pascal, A é a área do orifício calibrado, em 
metros quadrados, CD é o coeficiente de 
descarga do orifício, cujo valor particular, para 
este caso é 0,59, rr é a densidade do fluido em 
escoamento. Determinar a vazão de ar para os 
dados mostrados na figura. (Considere a 
aceleração gravitacional local igual a 9,81 m/s2 , 
a densidade do ar como sendo, rr = 1,2 kg/m3 e a 
densidade da água do manômetro igual a 1000 kg/m3) 
 
 
Solução 
 
- Cálculo da diferença de Pressão indicada no manômetro em U: 
 
 
DDP gL Pa== == ·· ·· ==rr 1000 981 0260 25506, , , 
 
- Calculo da área do orifício calibrado. Dos dados da figura temos 
 
 A
d
m== ==
··
==
pp 2 2 2
4
314159 0045
4
000159
, ( , )
, 
 
- A vazão em massa de ar admitida pelo motor diesel, pela expressão será 
 
m
kg
s
AR
··
== ·· ·· ·· ==000159 059 2 12 25506 00734, , , . , , 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo – 1 - Termodinâmica Aplicada - pág - 9 
 
 
Exercícios 
 
 
 1-1) Um manômetro montado em um recipiente indica uma pressão de 
1,25MPa e um barômetro local indica 96kPa. Determinar a pressão interna absoluta 
do recipiente em: a) MPa , b) kgf/cm2, c) Psia e d) em milímetros de coluna de 
mercúrio. 
OBS.: Adote para o mercúrio a densidade de 13,6gm/cm3 
 
 
 1-2) Um termômetro, de liquido em vidro, indica uma temperatura de 30 oC. 
Determine a respectiva temperatura nas seguintes escalas: a) em graus Fahrenheit 
(oF) , b) em graus Rankine (oR) e c) em Kelvin (K). 
 
 
 1-3) Um manômetro contém um fluido com densidade de 816 kg/m3. A 
diferença de altura entre as duas colunas é 50 cm. Que diferença de pressão é 
indicada em kgf/cm2? Qual seria a diferença de altura se a mesma diferença de 
pressão fosse medida por um manômetro contendo mercúrio (adote densidade do 
mercúrio de 13,60 gm/cm3) 
 
 1-4) Um manômetro de mercúrio, usado para medir um vácuo, registra 731 
mm Hg e o barômetro local registra 750 mm Hg. Determinar a pressão em kgf/cm2 e 
em microns.